JPH0326994A - 高価値かつ長寿命の制御棒用中性子吸収体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は制御棒に関するものである。更に詳しく言えば
、従来の制御棒において炭化ホウ素用の被覆材としてハ
フニウムを使用して戒る制御棒横遣が開示される． 先行技術の説明 沸騰水型原子炉用の制御棒は公知である．簡単に述べれ
ば、沸騰水型原子炉はそれの炉心内に互いに並列した状
態で配置された正方形横断面の燃料バンドル群を含んで
いる．４基１組のかかる燃料バンドルを共通の支持体上
に並列状態で配置することにより、それらの側面が互い
に離隔した状態で保持される．このようにして互いに離
隔した側面は、燃料バンドル間に十字形横断面の空隙を
規定する。かかる十字形横断面の空隙により、相補的な
十字形を成す制御棒の出し入れが可能とな燃料バンドル
間の空隙に対して出し入れされる従来の制御棒は、相補
的な十字形の横断面を有している。かかる従来の制御棒
は４枚の平面状側板を具備していて、各々の平面状側板
は２基の正方形横断面の燃料バンドル間に嵌合するよう
に構或されている．通例、かかる十字形横断面の制御棒
の平面状側板は多数の独立した管状被覆部材を含んでい
る．先行技術に従えば、これらの管状被覆部材はステン
レス鋼で作られている． 上記のごとき管状被覆部材は高温高圧容器として役立つ
。管状被覆部材の内部には炭化ホウ素が配置され、そし
てそれの両端はく好ましくは天然の炭化ホウ素で〉封止
されている．制御棒の使用期間中においては、炭化ホウ
素は中性子を吸収して原子崩壊を受ける．かかる原子崩
壊により、高圧のガスが発生する。このようなガスは制
御棒要素の内部に保持されなければならない．従来の制
御棒を楕或するその他の部材としては、個々の制御棒要
素を支持するための下部支持部材、制御棒要素を直立し
た状態に保持するための上部支持部材、および下部支持
部材から上部支持部材にまで伸びて制御棒を一体構造物
として保持するための連結部材が挙げられる．なお、中
性子吸収用の平面状側板を形戒する各群の制御棒要素は
金χ外彼によって包囲されていることが好ましい。

ハフニウムは良好な中性子吸収材として知られている。

従来、ハフニウムは沸騰水型原子炉の核叉応を制御する
ために使用されてきた．制御棒の末端または制御棒の側
縁にハフニウムチップを配置することは公知である．な
お、制御棒においては板状のハフニウムが使用されるの
が通例である。

また、従来のステンレス鋼製制御棒要素の内部および末
端には円柱状のハフニウム棒が使用されてきた。この点
に間しては、たとえば、「原子炉制御棒」と称する１９
８７年６月３１日付けのシアレー（ｃｅａｒｌｅｙ）等
の米国特許第４６７６９４８号明細書を参照されたい． 発明の要約 本発明に従えば、個々の制御棒要素がハフニウムで被覆
された炭化ホウ素を含むような制御棒楕造が開示される
．かかる制御棒楕造においては、独立した棒状を威す管
状被覆部材の内部に中性子吸収用の炭化ホウ素が封入さ
れていると共に、内部に炭化ホウ素を封入した複数の管
状被覆部材が十字形横断面の細長い制御棒内に収容され
ている．十字形の下部支持部材および十字形の上部支持
部材が中心連結部材によって連結される結果、管状被覆
部材は互いに並列した状態で保持されて平面状の側板を
形成している．従来の制御棒構造においては、全ての管
状被覆部材がステンレス鋼で作られていた．しかるに、
本発明の制御棒楕造においては、炭化ホウ素をハフニウ
ムで被覆して成る制御棒要素が使用されるのであって、
それらは従来のステンレス鋼で被覆された制御棒要素と
選択的に混用されることが好ましい．ハフニウムで被覆
された炭化ホウ素とステンレス鋼で被覆された炭化ホウ
素とを混用することは、所望のｉｌＩＩＪ１１Ｉｊｉｓ
１ｉｌｉ値と制御棒の全重量との間において適正なバラ
ンスを維持するために役立つ。いずれも中性子吸収材で
ある炭化ホウ素およびハフニウムは相補的に作用する．
すなわち、炭化ホウ素およびハフニウムは互いに独立し
た中性子吸収特性を有する結果、ハフニウムで被覆され
た炭化ホウ素の中性子吸収量は炭化ホウ素またはハフニ
ウムのそれぞれの中性子吸収量より大きくなるのである
． 発明の目的、特徴および利点 本発明の目的の１つは、調整可能な改善された価値を有
する制御棒構造を開示することにある．そのためには、
従来の制御棒構造において使用されてきたステンレス鋼
被覆材の代りにハフニウム被覆材が使用される． 炭化ホウ素の被覆材としてハフニウムを使用することの
利点は、より高い価値を持った制御棒が得られることで
ある． ステンレス鋼被覆材の代りにハフニウム被覆材を使用す
れば、封入された中性子吸収材および被覆材それ自体の
両方を中性子束環境中において利用し得るような制御棒
要素が得られることになる．ハフニウムはステンレス鋼
とほぼ同じ総合強度を有している．それ故、薄肉（肉厚
０．０１８〜０．０２２インチ〉のハフニウム被覆管内
に炭化ホウ素を封入することによって制御棒要素が形成
される．かかる制御棒要素が示す価値は、高価な濃縮ホ
ウ素を使用しなければ得られない程度のものである．ま
た、本発明の利点の１つとして、かかるハフニウム被覆
管が中性子とホウ素との反応から生じるヘリウムガス圧
の上昇に耐えるだけの機械的性質を有することが挙げら
れる． 更にまた、濃縮ホウ素を使用すれば、一定の容積中によ
り多くのホウ素−１０（ＩＯＢ＞原子が存在することに
なる　ｔｏＢが同じ減損率にまで減損した場合、ｉｏＢ
原子／容積比が小さいため、顕著に高いヘリウムガス圧
が生じる．しかるに、ハフニウムは（ｎ，γ）核反応を
受けるがら、ガスを発生しない．それ故、濃縮ホウ素の
代りにハフニウムを使用すれば、構造上の観点から見て
寿命制限因子となり得るガス圧が低下することにもなる
のである． 本発明のもう１つの利点は、ハフニウム披覆管の数を変
えることにより、所望の価値を持った制御棒を製造し得
ることである． 本発明の更にもう１つの利点は５薄肉のハフニウム被覆
管の使用によって中性子吸収体の重量増加が最小限に抑
えられることである．このような？性子吸収体の重量増
加は、制御棒の支持ｆｌｌ遣物の軽微な変更によって補
償することができる．本発明の更にもう１つの利点は、
沸騰水型原子炉の冷却材環境中におけるハフニウムの反
応度が低いことである．それ故、八フニウムは照射促進
応力腐食割れを生じることが少なく、また照射下におけ
る炭化ホウ素のスエリングに屈服することも少ない。

本発明のその他の目的、特徴および利点は、添付の図面
を参照しながら以下の説明を読むことによって自ら明ら
かとなろう． 発明の詳細な説明 第３図のグラフを見ればわかる通り、７■Ｈ「はいわゆ
る共鳴吸収材である．すなわち、ハフニウムは特定の熱
外中性子エネルギーレベルにおいて優先的に中性子を捕
獲する．このような優先捕獲帯域は、ホウ素の直線的な
対数吸収曲線よりも実質的に上方にまで伸びている． 炭化ホウ素とハフニウム被覆材とを併用すれば、それら
を単独で使用した場合には達戒し得ない或績が得られる
ことを理解すべきである。詳しく述べれば、ステンレス
鋼被覆管内に７０％の炭化ホウ素を封入して成る従来の
制御棒要素は１．０の相対価値を有するものと評価する
ことができる．その場合、純粋なハフニウム棒は０．９
８の価値を有するはずである．しかるに、ハフニウム被
覆管内に炭化ホウ素を封入して或る制御棒要素は１．１
２の価値を有するのである． 更にまた、ハフニウムは炭化ホウ素に対して自己遮蔽的
でない．すなわち、第３図のグラフがらわかる通り、そ
れらの各々が優先的に捕獲する中性子のエネルギーには
違いがあるのである．ハフニウムと炭化ホウ素とを併用
すれば、いずれか一方のみを使用した場合よりも優れた
或績が得られることが理解されたので、次に第１図中の
平面状側板の構造の実例を第２Ａおよび２Ｂ図に関連し
て説明しよう． 先ず第２Ａ図を見ると、制御棒の平面状側板中には炭化
ホウ素３２を封入したハフニウム被覆管３０のみが配置
されている．かかるハフニウム被覆管３０は、中心の連
結部材１８から平面状鍔板の縁端４０にまでわたって存
在している．常法に従い、ハフニウム被覆管３０は外被
４３によって包囲されかつ保護されている． 第２Ａ図の構造は、本発明に基づく制御棒構造において
最大の価値を実現するものであることが理解されよう． 次の第２Ｂ図には、より有用な別のＭ御棒構造が示され
ている．ハフニウムは鉛とほぼ同じ密度を有している．
通常の制御棒駆動機構を具備した従来の原子炉において
は、実際に移動させることのできる重量に制限がある．
緊急動作（たとえばスクラム）に際しては制御棒を迅速
に挿入することが要求される．制御棒の各側板が第２Ａ
図に示されるごとくハフニウム被覆管のみから戒る構造
を有する場合には、許容し得ないほどに重い制御棒が得
られることになる．従って、ハフニウム被覆管と従来の
ステンレス鋼被覆管とを交互に配置することが好ましい
のである． 第２Ｂ図を見ると、１番目のｌＭＩｊ４欅要素において
はハフニウム被覆管３０の内部に炭化ホウ素３２が封入
されている．２番目の制御棒要素においては、炭化ホウ
素３２はステンレス鋼被珊管３３の内部に封入されてい
る．このような配置が制御棒の平面状側板全体にわたっ
て繰返されるわけである． 次の第２Ｃ図を見ると、典型的なハフニウム被覆管の一
部が示されている．ハフニウム被覆管３０にはハフニウ
ムブラグ６２が溶接されている。

プラグ６２の近傍には、炭化ホウ素吸収材６８が溶接部
の品質に悪影響を及ぼすのを防止するための充填材６５
が配置されている．通例、ハフニウム被覆管３０または
ステンレス鋼被覆管３３内に封入された炭化ホウ素はス
ベーサボール７０によって隔離されている．その他の点
では、ハフニウム被覆管３０は従来通りの楕遣を有して
いる。

原子力技術者にとっては自明の通り、制御棒の価値は原
子炉内における位置および用途に応じて調整されるのが
瞥通である．本発明においては、ハフニウム被覆管の配
置状態を変えることにより、かかる調整を容易に達或し
得ることが理解されよう． ここで第１図を見ると、従来の制御棒が示されている．
かかる制御棒は、上端に位置するハンドルＨ、下端に位
夏する速度制限器Ｖ、および両者間に位置する羽根部分
Ｂを含んでいる．本発明の制御棒構造を理解するために
はまた、上部支持部材ｌ４および下部支持部材１６につ
いても述べておく必要がある．これらの部材１４および
１６は十字形を有している．なお、これらの部材ｌ４お
よびｌ６の形状は互いに相補的である．部材１４および
１６は連結部材１８によって相互に連結されている．か
かる連結部材１８は、制御棒の中心部を通って伸びる十
字形のものである．上記のごとき制御棒は、中性子吸収
用の活性制御棒要素Ｅを含んでいる．これらの制御棒要
素Ｅが本発明の対象を威すものである． 従来の制御棒要素Ｅはステンレス鋼被覆管を有していた
．そして、ステンレス鋼被覆管の内部に炭化ホウ素（Ｂ
　ａＣ　）が封入されていた．？縮炭化ホウ素を使用す
れば、高価値の制御棒を得ることができる．しかしなが
ら、濃縮炭化ホウ素は高価である．本発明の目的は、濃
縮炭化ホウ素を入手する費用をハフニウム被覆管の使用
によって削減しようとすることにある．

【図面の簡単な説明】

第１図は沸騰水型原子炉において１群の燃料バンドル間
の空隙内に挿入すべき制御棒の斜視図、第２Ａ図は全て
の制御棒要素においてハフニウム被覆管を使用した場合
を示す第１図中の線２Ａ−２Ａに関する断面図、第２Ｂ
図は１つ置きの制御棒要素においてハフニウム被覆管を
使用した場合を示す第１図中の線２Ａ−２Ａに関する断
面図、第２Ｃ図はハフニウム被覆管の内部に炭化ホウ素
を封入するためにそれの末端を溶接プラグで封止したと
ころを示す詳細図、そして第３図はホウ素同位体ｔｏＢ
および天然のハフニウム，■Ｈｆに間して中性子吸収断
面積と中性子エネルギーとの関係を示す対数グラフであ
る． 図中、１４は上部支持部材、１６は下部支持部材、１８
は連結部材、３０は／’ｔフニウム被覆管、３２は炭化
ホウ素、３３はステンレス鋼被覆管、４３は外被、Ｂは
羽根部分、Ｅは制御棒要素、Ｈはハンドル、そしてＶは
速度制限器を表わす。 ”ｉ：Ｔ’ｌｌｌ９人ゼオ．ラＪレ・エレクｌ．　１１
ノク・ノノン／く二−１゛こ皿人　（７６３０）生沼徳
二 ＦＩＧ．−２Ｃ．

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）内部に中性子吸収用毒物質を封入し、かつ直
   立しながら互いに並列した状態で配置されて中性子吸収
   用の平面状側板を形成する複数の金属製管状被覆部材、 （ｂ）前記管状被覆部材の下端を支持するための下部支
   持部材、 （ｃ）前記管状被覆部材の上端を支持するための上部支
   持部材、および （ｄ）前記上部支持部材と前記下部支持部材とを連結し
   て前記管状被覆部材を一体構造物として保持するための
   連結部材の諸要素から成る制御棒構造において、前記管
   状被覆部材の少なくとも１者がハフニウムで作られてい
   ることを特徴とする制御棒構造。 ２、前記管状被覆部材の全部がハフニウムで作られてい
   る請求項１記載の制御棒構造。 ３、前記管状被覆部材の内部に炭化ホウ素が封入されて
   いる請求項１記載の制御棒構造。４、前記管状被覆部材
   の内部に非濃縮炭化ホウ素が封入されている請求項３記
   載の制御棒構造。 ５、前記管状被覆部材が外被によって包囲されている請
   求項１記載の制御棒構造。 ６、（ａ）複数の管状被覆部材、 （ｂ）前記管状被覆部材の内部に封入された中性子吸収
   用毒物質、 （ｃ）前記管状被覆部材用の下部支持部材、 （ｄ）前記管状被覆部材用の上部支持部材、および （ｅ）前記下部支持部材から前記上部支持部材にまで伸
   びて両者を互いに連結するための連結部材の諸要素から
   成っていて、前記管状被覆部材の少なくとも１者がハフ
   ニウムで作られていることを特徴とする制御棒構造。 ７、前記管状被覆部材の全部がハフニウムで作られてい
   る請求項６記載の制御棒構造。 ８、前記管状被覆部材の一部がステンレス鋼で作られて
   おり、かつ前記管状被覆部材の残部がハフニウムで作ら
   れている請求項６記載の制御棒構造。